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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/306,902, die am 11. März 2016 eingereicht wurde und die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Einführung
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Die Offenbarung betrifft ein Beschichtungssystem und ein Verfahren zum Bilden eines verfestigten Films auf einem Aluminiumsubstrat.
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Komponenten, die aus Metall gebildet werden, erfordern oftmals einen Schutz vor einer Verschlechterung, die durch die Einwirkung von Umgebungsbedingungen verursacht wird. Beispielsweise können aus Aluminium gebildete Komponenten mit einem oder mehreren Filmen oder Schichten beschichtet sein, um die Haftung zwischen dem Aluminium und dem einen oder den mehreren Filmen zu fördern und die Komponente mit einem Schutz vor Korrosion zu versehen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zum Bilden eines verfestigten Films auf einem Aluminiumsubstrat umfasst das Abscheiden eines aus einer Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildeten Films auf dem Aluminiumsubstrat, ohne eine Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung auf das Aluminiumsubstrat aufzubringen. Das Verfahren umfasst auch nach dem Abscheiden das Verfestigen des Films.
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Bei einem Aspekt kann das Abscheiden das Eintauchen des Aluminiumsubstrats in die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung aufweisen. Bei einem anderen Aspekt kann das Abscheiden das Tauchbeschichten des Aluminiumsubstrats umfassen. Weiterhin braucht die Abscheidung nicht das Umwandeln des Aluminiumsubstrats über eine chemische Reaktion zu einer Schicht, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats enthält, zu umfassen. Das Abscheiden braucht nicht das Umwandeln des Aluminiumsubstrats über eine elektrochemische Reaktion zu einer Schicht, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats enthält, zu umfassen.
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Bei einem weiteren Aspekt kann das Verfestigen das Backen des Films in einem Ofen für eine Dauer von 10 Minuten bis 40 Minuten umfassen. Bei einem anderen Aspekt kann das Verfestigen das Trocknen des Films in Luft bei Umgebungstemperatur für eine Dauer von 5 Minuten bis 48 Stunden umfassen.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Reinigen des Aluminiumsubstrats, um eine saubere Fläche zu bilden, ein Abscheiden eines aus einer Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildeten Films auf der sauberen Fläche, ohne eine Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung auf das Aluminiumsubstrat aufzubringen, und ein Verfestigen des Films.
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Bei einem Aspekt kann die Reinigung das Sprühwaschen des Aluminiumsubstrats umfassen. In einem anderen Aspekt kann die Reinigung das Eintauchen des Aluminiumsubstrats in einen alkalischen Reiniger umfassen. Bei einem weiteren Aspekt kann das Verfahren ferner nach dem Reinigen das Ätzen der sauberen Fläche mit einer Säure umfassen, um eine vorbereitete Fläche zu bilden.
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Ein Beschichtungssystem umfasst ein Aluminiumsubstrat mit einer Fläche und einem verfestigten Film, der auf und in Kontakt mit der Fläche angeordnet ist. Der verfestigte Film ist aus einer Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildet. Das Beschichtungssystem ist frei von einer Schicht, die aus einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet ist.
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Bei einem Aspekt ist das Beschichtungssystem frei von einer Schicht, die aus einer Elektroabscheidungsbeschichtungszusammensetzung gebildet ist. Der verfestigte Film kann frei von einer Schicht sein, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats enthält, die über eine chemische Reaktion zwischen dem Aluminiumsubstrat und einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet wird. Der verfestigte Film kann frei von einer Schicht sein, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats und eine Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung enthält.
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Bei einem anderen Aspekt ist die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung eine Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung mit Nanokomposit. Bei einem weiteren Aspekt liegt die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung auf Silikonbasis vor. Bei einem noch weiteren Aspekt enthält die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung Tetraethylorthosilicat; ein polares, protisches Lösungsmittel; und ein polares, aprotisches Lösungsmittel.
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Das Aluminiumsubstrat kann aus einer Aluminiumlegierung gebildet sein, und der verfestigte Film kann eine Dicke von 10 Mikrometer bis 40 Mikrometer aufweisen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Beschichtungssystems.
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2 ist eine schematische Darstellung einer Schnittansicht des Beschichtungssystems von 1
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3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines verfestigten Films auf einem Aluminiumsubstrat.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente betreffen, ist ein Beschichtungssystem 10 allgemein in den 1 und 2 gezeigt. Das Beschichtungssystem 10 kann für Anwendungen geeignet sein, bei denen ein Aluminiumsubstrat 12 Schutz vor Korrosion erfordert, die durch Einwirkung von Umgebungsbedingungen, z. B. Feuchtigkeit, Salz, Verunreinigungen usw. verursacht wird. Genauer kann das Beschichtungssystem 10 für Komponenten nützlich sein, die einen Korrosionsschutz ohne die Verwendung eines haftvermittelnden Films, einer Grundierungsschicht und/oder eines Schutzfilms erfordern, der aus der Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet ist. Ferner kann das Beschichtungssystem 10 frei von einer Schicht sein, die aus einer Elektroabscheidungsbeschichtungszusammensetzung, d. h. einer E-Beschichtung, gebildet ist. Das heißt, für das Beschichtungssystem 10 ersetzt ein verfestigter Film 14, der auf einem Aluminiumsubstrat 12 angeordnet ist und aus einer Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildet ist, eine aus einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildete Schicht und eine aus einer Elektroabscheidungsbeschichtungszusammensetzung gebildete Schicht, wie nachfolgend detaillierter erläutert ist.
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Daher kann das Beschichtungssystem 10 für Automobilanwendungen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Fahrzeugrahmen und Tragstrukturen, Fahrzeugteile und Fahrzeugwerkzeug nützlich sein. Beispielsweise kann das Beschichtungssystem 10 für einen aus Aluminium gebildeten Fahrzeugrahmen nützlich sein. Alternativ kann das Beschichtungssystem 10 für Nicht-Automobil-Anwendungen nützlich sein, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf Luft- und Raumfahrtkomponenten, Bauanwendungen, Verpackung, chemische Verarbeitungsausrüstung, Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungsanlagen, Kraftübertragungsanwendungen, Haushaltsgeräte, Möbel, medizinische Geräte und Industriefahrzeuge.
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Bezug nehmend nun auf 3 weist ein Verfahren 16 zum Ausbilden des verfestigten Films 14 (2) auf dem Aluminiumsubstrat 12 (2) das Abscheiden 18 eines aus einer Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildeten Films auf dem Aluminiumsubstrat 12 auf, ohne eine Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung auf dem Aluminiumsubstrat 12 anzuordnen. Das heißt, der aus der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildete verfestigte Film 14 eliminiert oder ersetzt eine aus einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildete Schicht.
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Genauer gesagt umfasst das Verfahren 16 nicht die Behandlung des Aluminiumsubstrats 12 mit einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Umwandlungsbeschichtungszusammensetzungen, die im Handel unter dem Handelsnamen Alodine® von der Henkel Corporation, Rocky Hill, Connecticut, erhältlich sind. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung auf eine Beschichtungszusammensetzung, die geeignet ist, das Aluminiumsubstrat 12 über eine chemische Reaktion oder eine elektrochemische Reaktion in eine Schutzschicht umzuwandeln, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats 12 an einer Fläche 22 des Aluminiumsubstrats 12 aufweist. Das heißt, die Umwandlungsbeschichtungszusammensetzungen wandeln im Allgemeinen die Fläche 22 des Aluminiumsubstrats 12 in eine Schutzschicht um. Jedoch braucht für das Verfahren 16 das Abscheiden 18 nicht das Umwandeln des Aluminiumsubstrats 12 über eine chemische Reaktion zu einer Schicht zu umfassen, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats 12 enthält. Gleichermaßen braucht das Abscheiden nicht das Umwandeln des Aluminiumsubstrats 12 über eine elektrochemische Reaktion zu einer Schicht zu umfassen, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats enthält. Andere Umwandlungsbeschichtungszusammensetzungen können Zinkphosphat oder Zirkonoxid enthalten. Das Verfahren 16 braucht jedoch nicht die Behandlung des Aluminiumsubstrats 12 mit Zinkphosphat oder Zirkonoxid zu umfassen.
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Stattdessen kann das Abscheiden 18 das Eintauchen des Aluminiumsubstrats 12 in die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung umfassen, um das Aluminiumsubstrat 12 mit der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung zu beschichten. Beispielsweise kann das Abscheiden 18 das Tauchbeschichten des Aluminiumsubstrats 12 in einem Tank umfassen, der die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung enthält.
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Die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung kann eine Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung mit Nanokomposit sein. Die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung kann auf Silikonbasis vorliegen. Beispielsweise kann die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung Tetraethylorthosilicat; ein polares, protisches Lösungsmittel; und ein polares, aprotisches Lösungsmittel umfassen. Zusätzlich kann der aus der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildete verfestigte Film 14 transparent sein. Weiterhin kann die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung das Aluminiumsubstrat 12 mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, Haftung an nachfolgenden Beschichtungsschichten, wie einem Basislack und/oder einem Klarlack, und einem ausgezeichneten Schutz vor ultravioletter Strahlung versehen. Geeignete Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzungen sind im Handel erhältlich von Advenira Enterprise, Inc. von Sunnyvale, Kalifornien und Coval Molecular Coatings von Petaluma, Kalifornien.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3 umfasst das Verfahren 16 nach dem Abscheiden 18 auch das Verfestigen 20 des Films. Beispielsweise kann das Verfestigen 20 ein Backen des Films in einem Ofen für eine Dauer von 10 Minuten bis 40 Minuten umfassen. Alternativ kann das Verfestigen 20 das Trocknen des Films in Luft bei Umgebungstemperatur für eine Dauer von 5 Minuten bis 48 Stunden umfassen. Das heißt, das Verfestigen 20 kann bei Raumtemperatur erfolgen und kann das Backen des Films in einem Ofen beseitigen. Daher kann das Verfahren 16 für große Komponenten nützlich sein, die nicht für das Backen im Ofen geeignet sind.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren 16 das Reinigen des Aluminiumsubstrats 12, um eine saubere Fläche zu bilden. Beispielsweise kann die Reinigung das Sprühwaschen des Aluminiumsubstrats 12 umfassen, um Öl oder Verunreinigungen zu entfernen. Alternativ oder zusätzlich kann die Reinigung das Eintauchen des Aluminiumsubstrats 12 in einen alkalischen Reiniger umfassen.
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Für diese Ausführungsform kann das Verfahren 16 nach dem Reinigen das Beizen der sauberen Fläche mit einer Säure zur Bildung einer vorbereiteten Fläche umfassen. Das Beizen kann jede auf dem Aluminiumsubstrat 12 gebildete Aluminiumoxidschicht beseitigen. Geeignete Beispiele für eine wässrige Säure zum Beizen der sauberen Fläche umfassen Salpetersäure mit einer Konzentration von 10 Vol.-% und Schwefelsäure mit einer Konzentration von 20 Vol.-%. Weiterhin umfasst das Verfahren 16 das Abscheiden 18 von dem aus der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildeten Film auf der vorbereiteten Fläche, ohne eine Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung auf das Aluminiumsubstrat 12 aufzubringen, und ein Verfestigen der Folie.
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Bei einer weiteren Ausführungsform braucht das Verfahren 16 nicht das Beizen der sauberen Fläche zu umfassen. Dies bedeutet bei dieser Ausführungsform, dass das Verfahren 16 ein Reinigen des Aluminiumsubstrats 12, um eine saubere Fläche zu bilden, ein Abscheiden 18 eines aus einer Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildeten Films auf der sauberen Fläche, ohne eine Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung auf das Aluminiumsubstrat 12 aufzubringen, und ein Verfestigen 20 des Films umfasst. Insbesondere kann bei Ausführungsformen, die die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung auf Silikonbasis enthalten, die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung auf Silikonbasis den Film auf dem Aluminiumsubstrat 12 durch kovalente Al-O-Si-Bindungen bilden. Somit braucht es nicht notwendig zu sein, irgendeine Aluminiumoxidschicht, die auf dem Aluminiumsubstrat 12 gebildet ist, durch Beizen der sauberen Fläche abzutragen. Vielmehr können sich kovalente Al-O-Si-Bindungen stattdessen direkt auf der Aluminiumoxidschicht bilden und die Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung an das Aluminiumsubstrat 12 binden.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 umfasst das Beschichtungssystem 10 das Aluminiumsubstrat 12 mit der Fläche 22 und den verfestigten Film 14, der auf der Fläche 22 angeordnet ist und mit dieser in Kontakt steht. Das Aluminiumsubstrat 12 kann aus reinem Aluminium gebildet sein oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Der verfestigte Film 14 wird aus der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildet und kann eine Dicke von 10 Mikrometer bis 40 Mikrometer aufweisen, z. B. von 10 Mikrometer bis 20 Mikrometer, wobei 1 Mikrometer gleichwertig zu 1 × 10–6 Meter ist.
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Das Beschichtungssystem 10 ist frei von einer Schicht, die aus einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet ist. D. h. der verfestigte Film 14 kann frei von einer Schicht sein, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats enthält, die über eine chemische Reaktion zwischen dem Aluminiumsubstrat 12 und einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet wird. Gleichermaßen kann der verfestigte Film 14 frei von einer Schicht sein, die eine Verbindung des Aluminiumsubstrats 12 enthält, die über eine chemische Reaktion zwischen dem Aluminiumsubstrat 12 und einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Beschichtungssystem 10 frei von einer Schicht sein, die aus einer Elektroabscheidungsbeschichtungszusammensetzung, d. h. einer E-Beschichtung, gebildet ist.
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Das Verfahren 16 und das Beschichtungssystem 10 sind kostengünstig. Das heißt, das Verfahren 16 eliminiert das Aufbringen einer Haftvermittlerschicht, d. h. einer Umwandlungsbeschichtung, und eliminiert das Aufbringen einer Elektroabscheidungsschicht, d. h. einer E-Beschichtung auf die Fläche 22 des Aluminiumsubstrats 12. Daher ersetzt der verfestigte Film 14, der aus der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildet ist, eine Schicht, die aus einer Umwandlungsbeschichtungszusammensetzung gebildet ist, und eine Schicht, die aus einer Elektroabscheidungsbeschichtungszusammensetzung gebildet ist. Zusätzlich kann für einige Ausführungsformen das Verfahren 16 das Beizen und/oder das Backen im Ofen beseitigen. Somit vereinfacht das Verfahren 16 einen Herstellungsprozess für Komponenten, die Aluminiumsubstrate 12 benötigen, die vor Korrosion und Abbau geschützt sind.
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Zusätzlich ist der aus der Sol-Gel-Beschichtungszusammensetzung gebildete verfestigte Film 14 in Bezug auf Ultraviolettstrahlung inhärent stabil und kann daher einer Verschlechterung widerstehen, die durch Sonneneinstrahlung verursacht wird. Ferner kann, da der verfestigte Film 14 transparent sein kann, der verfestigte Film 14 die Ästhetik des Beschichtungssystems 10 verbessern.
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Während die besten Moden zur Ausführung der Offenbarung detailliert beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Offenbarung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche.
